L’exploration des ecosystèmes microbiens au service de l’homme par Bernard Taminiau | LIEGE CREATIVE, 05.11.15

Bernard Taminiau, ULg - Microbiologie des Denrées alimentaires

Jeudi 5 novembre

L’exploration des écosystèmes microbiens au service de l’homme.

Liege Creative, en partenariat avec :

L'explora*on des flores microbiennes au service de l'homme

Dr Bernard Taminiau Pr Georges Daube

2 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH

MICROBIOLOGIE

2 × 1028

1015

100x

108

11.000

100x

ECOLOGIE MICROBIENNE

ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 3

Interaction avec facteurs abiotiques

Interaction et Communication

Fonctions dans l’écosystème

Dynamique et Diversité Cycles géochimiques

Altération climat

Symbiose – prédation -  Pathogenèse …

Bioremédiation Enzyme discovery Bio-indicateurs

Homme – être composite


Belizário JE, Napolitano M (2015) Front Microbiol

La caverne de PLATON



XIX siècle - 1974 1974-2005 2005 -

Ecosystème

fonction microbienne Communautés Modèles

Diversité & dynamique

Outils

Culture - microscopie

FISH

Bio Mol

Bio info

NGS

ECOSYSTEMES MICROBIENS


« The Rumen and Its Microbes » (Academic Press, New York, 1966)

Robert E. Hungate (USA) Anaerobic microbiology – « Roll tubes methods »

Sergeï Vinogradski (Russie – France) Activités microbiennes du sol – colonnes de Vinogradski

Vision biotype en compétition et adaptation constante opposée à celle de Koch et de ses postulats

Intégration des bactéries dans un « tout » (écosystème)

Le rumen est devenu le premier écosystème microbien bien caractérisé

XIX siècle - 1974 fonction microbienne

The Great Plate count anomaly


1974-2005 Communautés Modèles

The Great Plate count anomaly


Mar*n Keller & Karsten Zengler Nature Reviews Microbiology 2, 141-‐150 (February 2004)

Top 3 -  Proteobacteria -  Firmicutes -  Actinobacteria


1974-2005 Communautés Modèles

Quorum sensing Observations in situ

E. Ruff et al., 2015 PNAS

Clonage

Encyclopedia Brihanica


2005 - Diversité & dynamique

Séquençage massif

Caractérisa*on et iden*fica*on massive

Bio-informatique

Explosion des Bases de données

Sogin et al., PNAS August 8, 2006 vol. 103 no. 32


Métagénétique

Séquençage d’amplicon

•  Identification possible sur tous les phyla bactériens •  Indépendante de l’état de la bactérie •  Données stockables

Séquençage d’amplicon

Iden*fica*on popula*ons

Taxonomie bactérienne est basée sur la séquence de l’ARN 16S

Pablo Yarza, et al. 2014. Nature Reviews Microbiology

www.arb-silva.de


Autres Cibles

•  MICRO-‐eucaryotes => 18S, 23S, ITS

hhp://fungene.cme.msu.edu/

•  Cibles à façon : Enzymes, marqueurs de résistance, …

www.arb-silva.de hhps://unite.ut.ee/


Séquençage Cible

Profil d’abondance Zone_

H07_1

2081

4

Zone_H07

_260

804

Zone_H07

_090

914

Point_H07

_2_1

2081

4

Point_H07

_2_2

6080

4

Point_H07

_2_0

9091

4

Point_H07

_3_1

2081

4

Point_H07

_3_2

6080

4

Point_H07

_3_0

9091

4

Point_H07

_4_1

2081

4

Point_H07

_4_2

6080

4

Point_H07

_4_0

9091

40

50

100

Abondance relative des phyla bactériens - zone H7

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)

ProteobacteriaCyanobacteriaBacteroidetesActinobacteriaBacteria_unclassifiedFirmicutesVerrucomicrobia

Echan*llons écosystème

Structure des popula*ons


Métagénomique

Séquençage global du métagénome

Poten*el fonc*onnel

Iden*fica*on popula*ons

Iden*fica*on Variants – transferts

géné*ques


Séquençage global

Profil taxonomique

Echan*llons écosystème Profil poten*el fonc*onnel

Catalogue ou de novo

Reconstruc*on pathways

Iden*fica*on variants

Reconstruc*on génomes


Métagénomique Métagénétique OU

COÛTS 1.000-2.000 € / échantillon 100-200 € / échantillon

IT 25-50 x106 Séquences/ échantillon 5.000 – 20.000 Séquences/ échantillon

Temps 15 – 21 jours 2 – 3 mois

Utilisation et design d’étude rationnelle


Bienvenue dans le règne du « omics » -‐ Integra*ve Biology

Métatranscriptomique

Métaprotéomique

Métabolomique

Métaglycomique

Culturomique


Fundamental and Applied Research for Animal and Health

ONE HEALTH


Fundamental and Applied Research for Animal and Health

Many MICROBIOTA

EXPLORATION ET CARACTÉRISATION DE FLORES L'explora*on des flores microbiennes



n=59

Intern butcheries in supermarket (SM2; n=8) and Butcheries (Butchery; n=7) At day 0 and day 2

Restaurant (n=6) at day 0

Sandwih bars (n=6) at day 0

Pre packed in supermarket (SM1;n=8) at day 0 and at day 2

Exploration Qualité de la viande fraiche en Belgique

Delhalle et al., 2015 J Food Prot

(Bray-Curtis index)

Xanthomonas

G1

G2

Streptococcus thermophilus

G3 Clostridium

haemolyticum G6

Lactobacillus algidus Lactococcus piscium

G7 No dominante

flora

G8

Leuconostoc gelidum

G4

Lactobacillus algidus

J2 G5

Photobacterium Lactobacillus algidus Lactococcus piscium

J0

G9

Pseudomonas Brochothrix

J0


Explora*on écosystème microbien peut permehre d’améliorer la qualité et la maîtrise du produit

BIOPROTECTION

utilisation raisonnée de souches naturellement présentes pour améliorer stabilité et longévité du produit

Axe2 -‐ Florpro

Partenaires : Celabor -‐ Pas*ficio della Mama, Detry, Belourthe, Héritage et GHL


Exploration longitudinale de la microflore de seniors

Rodriguez C, en préparation

Suivi hebdomadaire de 23 volontaires > 65 ans dans une MRS pendant 4 mois

Recherche bactériologique de Clostridium difficile

Etablissement du profil bactérien du microbiote intestinal


Posi*f Cdif recherche directe Posi*f Cdif recherche enrichis. Néga*f recherche Cdif


0.05

P12_week_10

P5_week_12

P5_week_03

P1_week_08

P13_week_04

P19_we

ek_13

P19_week_11

P18_week_07P18_week_17

P16_week_06

P15_week_08

P13_week_06

P1_week_12

P17_week_08

P17_week_06

P12_week_07

P2_week_15

P15_week_14

P19_week_03

P15_week

_04

P1_week_04

P24_week_14

P13_week_08

P15_w

eek_12

P24_week_10

P17_week_07

P2_week_11

P15_week_09


P24_week_05P15_week

_03

P18_week_09

P18_week_05

P12_week_11

P24_week_06

P15_week_13

P24_week_08

P19_week_02

P1_week_01

P1_week_16

P24_week_12


P24_week_17

P18_week_12

P19_week

_07

P15_we

ek_06

P2_week_01

P13_week_02

P13_week_03

P5_week_16

P1_week_14

P15_we

ek_11

P19_week

_15

P13_week_14

P2_week_05

P19_week_0

9


P5_week_01

P15_week_07

P15_week_02

P1_w

eek_10

P1_week_07

P1_week_05

P19_we

ek_10

P2_week_07

P15_week_17

P19_week_01

P2_week_17

P1_week_02

P13_week_12

P15_week_01

P1_week_11

P13_week_10

P2_week_03

P17_week_05P1_w

eek_17

Phylotype tree based on populaDon distribuDon – BraycurDs dissimilarity index

•  Sépara*on des

échan*llons sur base de la similitude de la flore

Chaque volontaire possède une empreinte

microbienne propre et stable dans le

temps


Explora*on microbiote senior peut permehre de développer des

produits dédiés

HOMEOSTASIE

Développement d'ingrédients et de produits finis fonctionnels contribuant au bien-être intestinal des seniors

Axe1 -‐ NutriguDor

Partenaires : UCL – Laboratoires Or*s, Cosucra Groupe Warcoing, Yakima Chief Inc., Biorès, Vésale Pharma, Oxylent, Lacto Research

SUIVI PERTURBATIONS MICROBIOTE L'explora*on des flores microbiennes



Effets hépato-protecteurs d’un extrait de rhubarbe associés à des modifications importantes de la flore microbienne

Neyrinck A., soumis

Utilisation d’un modèle souris de Binge Drinking

« Binge drinking » at 7h, sacrifice at 13h

Fas*ng

Day 0

Start of the experiment

Day 16 19h

Day -‐7

adapta*on period

Day 17


Histological analysis of liver sec*ons (Oil red O staining)

AccumulaDon de lipides dans le foie

Controle Alcool Alcool + extrait de

rhubarbe


F4/80 CD68 CD11c TLR4 MCP-1 IL-1β IL-6 TNF-α0

1

2

3

4

5Rhubarb extractAlcoholAlcohol+ Rhubarb extract

§

*

§

*

§

*

§

** *

*

§

rela

tive

expr

essi

on

Mesure de ARN messagers clefs dans l’inflama*on


Impact majeur sur la flore

Non metric dimensional scaling using species level samples dissimilarity


Control

Rhubarb ex

tract

Alcohol

Alcohol+R

hubarb ex

tract

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Phylum

ActinobacteriaBacteroidetesCyanobacteriaBacteria_unclassifiedDeferribacteresFirmicutesProteobacteriaSM2F11TenericutesVerrucomicrobia

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)

Control

Rhubarb ex

tract

Alcohol

Alcohol+R

hubarb ex

tract

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Family

VerrucomicrobiaceaeLachnospiraceaeRuminococcaceaeS24-7RikenellaceaevadinBB60Alphaproteobacteria uncl.BacteroidaceaePrevotellaceaeDeferribacteraceaePorphyromonadaceaeErysipelotrichaceaeAnaeroplasmataceaeDesulfovibrionaceaeClostridiales uncl.Defluviitaleaceae

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)Contro

l

Rhubarb ex

tract

Alcohol

Alcohol+R

hubarb ex

tract

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Genus

AkkermansiaS24-7 uncl.Ruminococcaceae uncl.AlistipesLachnospiraceae uncl.BlautiavadinBB60 uncl.Alphaproteobacteria uncl.BacteroidesAlloprevotellaMucispirillumParabacteroidesOscillibacterAnaerotruncusAllobaculumAnaeroplasma

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)

Control

Rhubarb ex

tract

Alcohol

Alcohol+R

hubarb ex

tract

6

8

10

12

14

ab ab a

Log 1

0[c

ell n

umbe

r/ g

of c

aeca

l con

tent

]

Control

Rhubarb ex

tract

Alcohol

Alcohol+Rhubarb

extra

ct8

9

10

11

12

a ba

b

Log 1

0[c

ell n

umbe

r/ g

of c

aeca

l con

tent

]

A

B C

Iden*fica*on des popula*ons concernées

Akkermansia muciniphila Parabacteroides golsteinii


Corréla*on Bactéries -‐ hôte


Explora*on microbiote mets en lumière l’intérêt de popula*ons bactériennes, parfois inconnues

TAXONOMIE

Isolement de populations biomarqueurs identifiées afin de les caractériser


Exploration du microbiote stomacal associé ou non à la présence de Helicobacter suis chez le porc

De Bruin E.

Comparaison d’écouvillons de parties de l’estomac chez le porc

Infectés par H. suis Non infectés par H. suis


Actinobacillus_AF371856

Clostridium_GQ133472

Helicobacter_suis

Pseudomonas_KC002541

0

20

40

60

80

rela

tive

popu

latio

n ab

unda

nce

(%)

Abundance distribution of selected bacterial species - Hsuis effect

Hsuis_negativeHsuis_positive

** **

**

**

Confirma*on présence H. suis


Acidobac

teria

Actinobac

teria

Bacter

ia_uncla

ssifie

d

Candidate

_divi

sion_S

R1

Candidate

_divi

sion_T

M7

Cyanobac

teria

Fusobac

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Lentis

phaerae

Nitrosp

irae

Plancto

mycete

s

SHA-109

Spiroch

aetae

Teneri

cutes

Verruco

microbia

0

2

4

6

8

Abundance distribution of bacterial phyla - Hsuis effectre

lativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

) Hsuis_negativeHsuis_positive**

Bacter

oidetes

Firmicu

tes

Proteo

bacter

ia0

20

40

60

80

100

Présence d’un phylum spécifique au groupe H. suis +


Isolement et iden*fica*on nouvelle espèce bactérienne

Rôle de cette bactérie dans l’implantation de H. suis ?


Iden*fica*on et caractérisa*on de popula*ons clefs soulèvent parfois

la ques*on de leur origine

BIOTOPE

Identification de la source de populations bactériennes

Partenaires : DG03 -‐ ISSeP

SOURCE TRACKING L'explora*on des flores microbiennes


Origine de la contamina*on fécale des eaux de baignade


4 zones de baignade

4 points de prélèvement par zone

Zone de baignade 3 points de prélèvement en amont

Microbio classique E. coli et entérocoques fécaux

Métagéné*que 16S


Zone_I14

_120

814

Zone_I14

_260

814

Zone_I14

_090

914

Point_I14

_2_1

2081

4

Point_I14

_2_2

6081

4

Point_I14

_2_0

9091

4

Point_I14

_3_1

2081

4

Point_I14

_3_2

6081

4

Point_I14

_4_1

2081

4

Point_I14

_4_2

6081

4

Point_I14

_4_0

9091

40

50

100

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)

Abondance relative des phyla bactériens - zone I14

BacteroidetesProteobacteriaCyanobacteriaActinobacteriaBacteria_unclassifiedVerrucomicrobiaFirmicutes

Zone_I15

_120

814

Zone_I15

_260

814

Zone_I15

_090

914

Point_I15

_2_1

2081

4

Point_I15

_2_2

6081

4

Point_I15

_2_0

9091

4

Point_I15

_3_1

2081

4

Point_I15

_3_2

6081

4

Point_I15

_3_0

9091

4

Point_I15

_4_1

2081

4

Point_I15

_4_2

6081

4

Point_I15

_4_0

9091

40

50

100

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)


BacteroidetesCyanobacteriaProteobacteriaActinobacteriaBacteria_unclassifiedVerrucomicrobiaFirmicutes

Zone_I16

_120

814

Zone_I16

_260

814

Zone_I16

_090

914

Point_I16

_2_1

2081

4

Point_I16

_2_0

9091

4

Point_I16

_3_1

2081

4

Point_I16

_3_2

6081

4

Point_I16

_3_0

9091

4

Point_I16

_4_1

2081

4

Point_I16

_4_2

6081

4

Point_I16

_4_0

9091

40

50

100

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)


BacteroidetesProteobacteria

ActinobacteriaCyanobacteria

Bacteria_unclassified

FirmicutesVerrucomicrobia

Zone_H07

_120

814

Zone_H07

_260

804

Zone_H07

_090

914

Point_H07

_2_1

2081

4

Point_H07

_2_2

6080

4

Point_H07

_2_0

9091

4

Point_H07

_3_1

2081

4

Point_H07

_3_2

6080

4

Point_H07

_3_0

9091

4

Point_H07

_4_1

2081

4

Point_H07

_4_2

6080

4

Point_H07

_4_0

9091

40

50

100

Abondance relative des phyla bactériens - zone H7

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)

ProteobacteriaCyanobacteriaBacteroidetesActinobacteriaBacteria_unclassifiedFirmicutesVerrucomicrobia


Mesure globale de la contamina*on fécale

Zone_H7

Point_H7_

2

Point_H7_

3

Point_H7_

4

Zone_H7

Point_H7_

2

Point_H7_

3

Point_H7_

40.000.010.020.030.040.05

0.5

1.0

1.5

102

103

104

105

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)

Zone H7

Nom

bre corrigé de bactéries dans 100ml

Zone_I14

Point_

I14_2

Point_

I14_3

Point_

I14_4

Zone_I14

Point_

I14_2

Point_

I14_3

Point_

I14_4

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.5

1.0

1.5

102

103

104

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)

Zone I14

Nom


Zone_I15

Point_

I15_2

Point_

I15_3

Point_

I15_4

Zone_I15

Point_

I15_2

Point_

I15_3

Point_

I15_4

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.5

1.0

1.5

102

103

104

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)

Zone I15

Nom


Zone_I16

Point_

I16_2

Point_

I16_3

Point_

I16_4

Zone_I16

Point_

I16_2

Point_

I16_3

Point_

I16_4

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.5

1.0

1.5

102

103

104

105

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)

Zone I16

Nom


indicateur _ NGSTotal fecal

Ecoli/100mlEntero/100ml

Introducing : HostFecal DataBase

Database of known GI bacterial genera linking 16S sequences to the Host source

Ref Alignment

Source Ontology

Phylogene*c Mapping Database with host specific sequences

50 genera

>1,000,000 16S entries

I14_1

_WoC_S

01

I14_2

_WoC_S

01

I14_3

_WoC_S

01

I14_4

_WoC_S

01

I15_1

_WoC_S

01

I15_2

_WoC_S

01

I15_3

_WoC_S

01

I15_4

_WoC_S

01

I16_1

_WoC_S

01

I16_2

_WoC_S

01

I16_3

_WoC_S

01

I16_4

_WoC_S

010.0

0.5

1.0

Fecal Taxa - Week 1

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)

I14_1

_WoC_S

01

I14_2

_WoC_S

01

I14_3

_WoC_S

01

I14_4

_WoC_S

01

I15_1

_WoC_S

01

I15_2

_WoC_S

01

I15_3

_WoC_S

01

I15_4

_WoC_S

01

I16_1

_WoC_S

01

I16_2

_WoC_S

01

I16_3

_WoC_S

01

I16_4

_WoC_S

010.0

0.5

1.0

Fecal Taxa - Week 1 - Host colours

Rel

ativ

e po

pula

tion

abun

danc

e (%

)

Human Fish Environment Cattle Mixte Dog

16S Metagene*cs

HostFecal DB

I14_1_WoC_S01

I15_1_WoC_S01

I16_1_WoC_S01

I14_1_WoC_S02

I15_1_WoC_S02

I16_1_WoC_S02

I14_1_WoC_S03

I15_1_WoC_S03

I16_1_WoC_S03

I14_2_WoC_S01

I15_2_WoC_S01

I16_2_WoC_S02

I14_2_WoC_S02

I15_2_WoC_S02

I16_2_WoC_S02

I14_2_WoC_S03

I15_2_WoC_S03

I16_2_WoC_S03

I14_3_WoC_S01

I15_3_WoC_S01

I16_3_WoC_S02

I14_3_WoC_S02

I15_3_WoC_S02

I16_3_WoC_S02

I14_3_WoC_S03

I15_3_WoC_S03

I16_3_WoC_S03

I14_4_WoC_S01

I15_4_WoC_S01

I16_4_WoC_S02

I14_4_WoC_S02

I15_4_WoC_S02

I16_4_WoC_S02

I14_4_WoC_S03

I15_4_WoC_S03

I16_4_WoC_S03

Human Fish Environment Cattle Mixte Dog

I14 I14-2 I14-3 I14-4

I15 I15-2 I15-3 I15-4

I16 I16-2 I16-3 I16-4

w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3

w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3

w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3

L’iden*té des bactéries n’est plus un prérequis pour l’exploita*ons des

données métagéné*ques

Est-il possible d’intégrer ces données dans les modèles de gestion des eaux ?

TAKE HOME MESSAGES L'explora*on des flores microbiennes



L’explora*on des écosystèmes microbiens, c’est

Facile, rapide et pas trop cher.

Applicable dans tous les domaines : R&D

Quality managment Troubleshooting

Complémentaire à la métagénomique

PASSIONNANT et promis à un bel avenir

Health & Medicine

L’exploration des ecosystèmes microbiens au service de l’homme par Bernard Taminiau | LIEGE CREATIVE, 05.11.15